Kontinuums-Diskontinuum-Analyse der Permeabilitätssteigerung von Schiefer mit überkritischem CO2-Frakturieren

• Antragsteller: Professor Dr. Heinz Konietzky
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392137236

Die Problematik der Gewinnung von Shalegas hat in China und Deutschland ein großes Potenzial. Die herkömmlichen wasserbasierten Fracingmethoden sind jedoch für viele Shalegas-Reservoire nicht geeignet. Die Technologie, superkritisches CO2 (SC-CO2) zu nutzen, kann eine Reihe von Problemen bei der hydraulischen Rissausbreitung überwinden und hat große Aussichten auf eine spätere industrielle Nutzung. In diesem Projekt wird in einem ersten Schritt eine CT-Untersuchung als Gesteinsmaterial durchgeführt, um die Meso-Struktur zu charakterisieren. Fractests mit superkritischem CO2 an zylindrischen Shale-Proben werden durchgeführt, um die Wirkung vorhandener Risse auf den Frackprozess zu untersuchen. In einem zweiten Schritt werden basierend auf den Zustandsgleichungen von SC-CO2 und den Kopplungen zwischen Fluidfluss sowie Deformation und Schädigung von Shale ein hydro-mechanisch gekoppeltes Modell zur Simulation des SC-CO2 Fracking-Prozesses entwickelt. In einem dritten Schritt wird das kontinuumsbasierte Modell, von chinesischer Seite entwickelt, mit dem diskontinnums-mechanischen Modell, entwickelt von deutscher Seite, miteinander verbunden. Mit dieser kontinnums-diskontinuums-mechanischen Kopplung kann der gesamte Frac-Prozess beschrieben werden. Das Modell wird mittels Laborversuchen validiert.Abschließend wird, basierend auf praktischen Erfahrungen, ein mechanisches Modell für das Multi-Fracturing in horizontalen Bohrlöchern entwickelt und der Einfluss von Rissdichte, Grad der natürlichen Rissbildung, Rissrauhigkeit und Injektionsrate auf die stimulierte Risse inklusive der resultierenden Permeabilitätserhöhung numerisch analysiert. Die Analyse der Riss-Interaktion und der volumetrischen Permeabilitätserhöhung, hervorgerufen durch das SC-CO2 Fracing, kann eine wichtige theoretische Hilfe für das Design von Frac-Operationen sein.Schließlich wird das mechanische Modell für die mehrstufige Rissausbreitung in horizontalen Bohrlöchern erstellt, welches die Verteilung natürlicher Risse und ihre physikalischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Injektionsrate zur stimulierten Rissentwicklung beinhaltet. Die resultierende Permeabilitätserhöhung wird numerisch analysiert. Die numerische Simulation der Interaktion von Multi-Risssystemen und die volumetrische durch das SC-CO2 verursachte Permeabilitätserhöhung stellt eine wirkungsvolle theoretische Unterstützung für das Design von Rissprozessen zur Verfügung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Mitverantwortlich: Dr. Martin Herbst
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Wancheng Zhu